EP0762097A1 - Architecture d'intégration d'un élément sensible dans un capteur de pression - Google Patents

Architecture d'intégration d'un élément sensible dans un capteur de pression Download PDF

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EP0762097A1
EP0762097A1 EP96401826A EP96401826A EP0762097A1 EP 0762097 A1 EP0762097 A1 EP 0762097A1 EP 96401826 A EP96401826 A EP 96401826A EP 96401826 A EP96401826 A EP 96401826A EP 0762097 A1 EP0762097 A1 EP 0762097A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
base
sensitive element
pressure
sensor according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP96401826A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Bernard Avisse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Societe Europeenne de Propulsion SEP SA filed Critical Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Publication of EP0762097A1 publication Critical patent/EP0762097A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/145—Housings with stress relieving means
    • G01L19/146—Housings with stress relieving means using flexible element between the transducer and the support
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/0007—Fluidic connecting means
    • G01L19/0038—Fluidic connecting means being part of the housing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/142—Multiple part housings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/147—Details about the mounting of the sensor to support or covering means

Definitions

  • the present invention relates to the internal configuration of a pressure sensor and, more particularly, to the architecture of integration of a sensitive element with a silicon substrate in such a sensor intended to measure high pressures over a wide range of temperatures.
  • sensors comprising a sensitive element in the form of a deformable membrane on which strain gauges are installed, as described in documents FR-A-2587485, FR-A-2 594 224 and FR-A-2 594 546.
  • the deformable membrane can be made of single crystal material such as single crystal sapphire or single crystal silicon, as described in FR-A-2 648 910 and FR-A-2 619 446.
  • the mounting of the sensitive element in the body of the sensor must be such that the sensitive element is mechanically supported in the body and that the pressure to be measured is brought to the sensitive element from a part called "pressure tap" of the sensor.
  • a sensitive element with a single crystal substrate is usually connected to a support in the body of the sensor by means of epoxy resin, glass, by electrostatic welding or by similar welding processes.
  • the document FR-A-2 619 446 mentioned above proposes the use of a membrane having a central part of reduced thickness linked to the support at its relatively thick peripheral rim in order to prevent the radial or tangential stress of the membrane does not produce significant effects at the level of the connections between the membrane and the support (which would otherwise lead to the deformation of the membrane or even to its separation from the support due to the difference between the resistance of the membrane and that of the glass or other used in connections).
  • a pressure sensor intended to measure high pressures over a wide range of temperatures must have good behavior under the conditions provided. It is also preferable that the sensor is resistant to vibration and provides a reliable output signal even before temperature stabilization has occurred. When the intended use for the pressure sensor is in a rocket or a launcher, it is also necessary that the sensor is resistant to fluids encountered in devices of this kind, such as oxygen (gas or liquid), hydrogen (gas or liquid), water (vapor or liquid), etc.
  • a pressure sensor comprising a sensitive element with a silicon substrate capable of meeting the needs set out above.
  • the main difficulties of implementation arise from the mounting of the sensitive element in the body of the sensor.
  • the coefficient of thermal expansion of silicon is close to 2 ⁇ 10 -6 / ° C while the usual metals constituting the body of the sensor have a coefficient greater than 8.5 ⁇ 10 -6 / ° C, or even double.
  • a rigid connection between a sensitive element with a silicon substrate and a metal sensor body would produce mutual temperature constraints.
  • the pressure value targeted is so high that a high rigidity of the internal connections of the sensor seems essential to give it sufficient pressure resistance.
  • FIG. 1 A conventional architecture for integrating a sensitive element with a silicon substrate in the body of a pressure sensor is shown in the diagram in FIG. 1.
  • the pressure sensor comprises a metal support 1 traversed by a central hole 2 connected to the pressure source to be measured.
  • the sensitive element 4 of the sensor consists of a silicon substrate 5 on a surface of which are strain gauges 6.
  • the silicon substrate has a peripheral rim 5a of increased thickness and a central reinforcement 5b.
  • the gauges 6 are installed on the substrate 5 at the regions 5c of the latter with reduced thickness where the stresses to be detected are concentrated. There are usually four gauges mounted on the Wheatstone bridge.
  • the sensitive element 4 can also include a reinforcement piece 5 ′ also made of silicon.
  • the sensitive element 4 is mounted on the metal support 1 by way of an interposed base 7, made of glass or ceramic. Central holes are drilled in the base and, possibly, in the reinforcement piece 5 ′ of the sensitive element 4 in order to bring the pressure to be measured to the regions 5c of the substrate 5 where the gauges 6 are located.
  • connection between the silicon substrate 5 (or the silicon reinforcement 5 ′) and the base 7 is produced by anode welding, or by brazing of molten glass or by eutectic brazing.
  • the connection between the base 7 and the metal support 1 is made by bonding or soldering.
  • these bondings or solders are not adapted to allow the production of a sensor capable of being used both at high pressure and in a wide temperature range.
  • bonding and brazing which could be adapted would introduce construction constraints towards the substrate 5 and therefore towards the gauges 6.
  • Document FR-A-2 293 704 describes a pressure sensor in which the glass base carrying the sensitive element is mounted on the support metallic sensor not directly, but through a connecting element. However, the above drawbacks are not eliminated.
  • the present invention aims to remedy the drawbacks mentioned above and, in particular, it relates to a pressure sensor capable of reliably measuring high pressures capable of reaching at least 1000 bars by accepting temperature variations within a covering range at least the interval from 4 ° K to 473 ° K, and in which a sensitive element with a silicon substrate is mounted in a sensor body so that the integration constraints are minimized.
  • the mounting of the sensitive element to the silicon substrate is such that the effects of differential thermal expansion of the sensor elements, due to thermal transients occurring in the environment, are absorbed by the elastically deformable connecting element, while the forces exerted by the pressure to be measured are taken up by the force recovery part and do not affect the behavior of the connecting element. Therefore, it is not necessary to wait for thermal stabilization for the gauges to be in the best measurement conditions. Thanks to this system of integration of the sensitive element in the body of the sensor, a sensor capable of measuring very high pressures over a wide temperature range is obtained, but also a sensor having a high accuracy in stabilized thermal drift and better resistance to vibrations.
  • the elastic element is a thin metal foil, preferably shouldered against a part of the sensor body.
  • An elastic element in the form of a thin metal foil has the advantage that the stress which it exerts on the base due to the differential thermal expansions is low and that it can itself support the deformations of thermal origin. from its connection to the base and to the metal of the sensor body.
  • the sensitive element It is advantageous to produce the sensitive element with a relatively thick reinforcing piece of silicon placed between the silicon substrate and the base, the latter being for example itself made of glass and welded anodically to the reinforcing piece.
  • the stresses due to the process by which the base is fixed to the reinforcement piece are filtered by this reinforcement, due to its thickness, and thus they hardly affect the silicon substrate of the sensitive element.
  • the base on which the sensitive element is mounted is supported by a metallic element of the sensor body by means of a metallic foil welded at one of its ends to a metallic element of the sensor body and sealed to the other of its ends to the base material.
  • the force recovery part forms a sealed cover on the sensor body and against which the sensitive element is supported by means of a spacer, by glass example.
  • the sensitive element is linked to the spacer, for example by gluing, in order to ensure its resistance to vibrations.
  • the spacer can be mechanically linked to the cover.
  • the choice of materials for the constituent parts of the sensor allows optimization of the chemical compatibility of these parts with the fluids whose pressure is to be measured. Also, the silicon substrate can be produced at low cost by using manufacturing and machining methods usually used in semiconductor technology.
  • the pressure sensor comprises a metallic body of revolution 10 consisting of an upper part 10a and a lower part 10b sealed to each other to define a chamber 11.
  • the lower part is extended axially at its base by a tubular part 12 constituting the pressure tap open at its end to form a mouth 14.
  • the pressure tap 12 is intended to be connected to a pressure source to be measured and communicates with the chamber 11.
  • a sensitive element arranged in the chamber 11 comprises a silicon substrate 15 in the form of a disc with a thinned central part 15a on which are installed strain gauges 16.
  • the substrate 15 is sealed on a relatively thick reinforcement piece 15 ′, also in silicon.
  • the part 15 ′ is sealed on a glass base 17, for example of the "Pyrex 7740" type or equivalent.
  • the sealing on the base 17 is for example carried out by anodic welding, such as a "Mallory" type welding.
  • the reinforcing piece 15 ' has a central passage 15'a and the base 17 is annular so that the pressure present at the mouth 14 can be brought directly to the central part 15a of the sensitive element.
  • the assembly constituted by the substrate 15 carrying the gauges 16, the reinforcement piece 15 ′ and the base 17 is connected to the body 10 by an elastically deformable element here constituted by a metallic foil 18, of small thickness, for example about 0, 1 mm, made for example of stainless steel.
  • the foil 18 has a general shape of revolution with a first cylindrical part 18a welded at its end to the internal wall of the lower part 10b of the body 10, a second cylindrical part 18b welded at its end to the lower face of the base 17, and a swollen intermediate portion 18c connecting the cylindrical portions 18a and 18b.
  • the bulged portion 18c with a substantially U-shaped profile gives the foil 18 an elastic deformation capacity in the axial direction.
  • the internal cylindrical wall of the lower part 10b of the sensor body has a portion of larger diameter which defines a shoulder 19 on the bottom of which houses the bulged part 18c of the foil 18, so that the latter is held laterally.
  • the part 10b of the sensor body has an internal wall of further enlarged diameter which surrounds most of the assembly formed by the substrate 15, the part 15 ′ and the base 17 and which is connected at the shoulder 19 by a radial surface 20.
  • the axial displacement of the assembly 15, 15 ', 17 under the effect of the elastic deformation of the shim 18 is limited, at one end, by the surface 20 forming a stop capable of cooperate with the underside of the base 17, and, at the other end, by a solid piece 21 forming a sealed cover on the part 10b of the body and against which the substrate 15 can be supported by means of a spacer annular 22.
  • the latter is for example made of glass, like the base 17, and is fixed to the substrate 15, for example by gluing.
  • the force exerted on the assembly 15, 15 ′, 17, 22 by the pressure to be measured is taken up by the solid piece 21 and is not applied to the foil 18 which can then exert optimally its function of compensating for differential dimensional variations of thermal origin and of damping possible vibrations.
  • Figure 3 illustrates a second embodiment of a sensor according to the invention. This differs from the sensor of FIG. 2 essentially by the production of the elastically deformable element and the construction of the lower part 10b of the sensor body. Others constituent elements of the sensor not being modified, they will not be described again.
  • the elastically deformable element is still a metallic foil 28 of small thickness.
  • the foil 28 has here essentially a shape of a radially disposed flat ring which is linked to the part 10b of the sensor body in the vicinity of its external periphery and which is sealed on the base 17 at its internal periphery.
  • the connection with the base 17 is here carried out on the external surface thereof, not on its lower surface.
  • the foil 28 has an annular bulge 28c with a substantially U-shaped section open towards the lower end of the sensor.
  • the lower part of the sensor here comprises a lower section 10b 'and an upper section 10b "fixed to one another with the interposition of a ring 30.
  • section 10b' has an enlarged internal diameter defining a housing which surrounds most of the base 17 and is connected with the rest of the internal wall of the section 10b ′ by a radial surface forming a stop 29.
  • the stop 29 cooperates with the underside of the base 17 to limit the axial displacement of the assembly 15, 15 ′, 17 in the direction opposite to that of establishing the pressure.
  • the force exerted by the pressure to be measured is taken up by the part 21 cooperating with the spacer 22 and welded on part 10b, as in the embodiment of Figure 2.
  • the ring 30 has a flange at its internal periphery which defines a bearing surface 30a or shoulder against which the foil 28 comes into contact through the top of its bulged part 28c. At its outer periphery, the foil 28 is held between the ring 30 and the section 10b '.

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Abstract

Un capteur de pression comprenant un élément sensible à substrat (15) en silicium sur lequel sont fixées des jauges extensométriques (16) logé dans un corps de capteur (10). L'élément sensible est monté sur une base (17) reliée à une partie (10b) métallique du corps de capteur (10) par l'intermédiaire d'un élément (18 ; 28) déformable élastiquement propre à compenser des différences de dilatation thermique entre la base (17) et l'élément sensible par rapport au corps (10) du capteur. Le capteur comprend en outre une pièce de reprise d'effort (21) capable de reprendre les efforts exercés par la pression à mesurer sur l'ensemble constitué de la base (17) et l'élément sensible (15). Ce capteur est ainsi adapté à une utilisation à haute pression et dans un environnement à température variable. <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne la configuration interne d'un capteur de pression et, plus particulièrement, l'architecture d'intégration d'un élément sensible à substrat en silicium dans un tel capteur destiné à mesurer des hautes pressions dans une large gamme de températures.
  • Pour la mesure de pressions relativement élevées, il est connu d'utiliser des capteurs comprenant un élément sensible en forme de membrane déformable sur laquelle sont implantées des jauges extensométriques, comme décrit dans les documents FR-A-2587485, FR-A-2 594 224 et FR-A-2 594 546. Il est également connu que la membrane déformable peut être réalisée en matériau monocristal tel que saphir monocristal ou silicium monocristal, comme décrit dans FR-A-2 648 910 et FR-A-2 619 446. Le montage de l'élément sensible dans le corps du capteur doit être tel que l'élément sensible est soutenu mécaniquement dans le corps et que la pression à mesurer est amenée à l'élément sensible depuis une partie dite "prise de pression" du capteur.
  • Un élément sensible à substrat monocristal est habituellement relié à un support dans le corps du capteur au moyen de résine époxy, de verre, par soudure électrostatique ou par procédés de soudure similaires. Le document FR-A-2 619 446 mentionné ci-dessus propose l'utilisation d'une membrane ayant une partie centrale d'épaisseur réduite liée au support au niveau de son rebord périphérique relativement épais afin d'éviter que la sollicitation radiale ou tangentielle de la membrane ne produise d'effets significatifs au niveau des liaisons entre la membrane et le support (ce qui autrement conduirait à la déformation de la membrane voire à sa séparation du support du fait de la différence entre la résistance de la membrane et celle du verre ou autre utilisé dans les liaisons).
  • Outre les problèmes de différence de résistance entre la membrane et le matériau des liaisons entre celle-ci et son support, un élément sensible à substrat en silicium et un corps de capteur en métal liés rigidement l'un à l'autre produiraient des contraintes mutuelles en température, surtout lorsque la gamme de variation de température pendant l'utilisation est large. De telles contraintes varient selon les fluctuations de température de façon peu prévisible et nuisent à la précision des signaux de sortie des jauges extensométriques ainsi rendant le capteur trop sensible aux transitoires thermiques. Ce problème est d'importance accrue quand il s'agit d'un capteur de haute pression.
  • Il y a des circonstances où un capteur de haute pression, par exemple pour mesurer une pression de 1000 bars ou même plus, doit être capable de fonctionner de façon fiable bien qu'il soit soumis à des variations de température assez importantes ayant lieu aussi bien de façon transitoire que de façon graduelle. On vise, en particulier, des applications où le capteur de pression est susceptible d'être soumis à des variations de température dans une gamme de 4°K à 473°K (ou plus). Une telle utilisation se trouve dans les fusées et les lanceurs.
  • Un capteur de pression destiné à mesurer des hautes pressions dans une large gamme de températures doit avoir une bonne tenue dans les conditions prévues. Il est aussi préférable que le capteur soit résistant aux vibrations et qu'il foumisse un signal de sortie fiable même avant qu'une stabilisation de la température se soit produite. Lorsque l'utilisation visée pour le capteur de pression est dans une fusée ou un lanceur, il est aussi nécessaire que le capteur soit résistant aux fluides rencontrés dans les dispositifs de ce genre, tels que l'oxygène (gazeux ou liquide), l'hydrogène (gazeux ou liquide), l'eau (vapeur ou liquide), etc.
  • Jusqu'à présent, on n'a pas pu réaliser un capteur de pression comprenant un élément sensible à substrat en silicium capable de répondre aux besoins énoncés ci-dessus. Les principales difficultés de réalisation découlent du montage de l'élément sensible dans le corps du capteur. Le coefficient de dilatation thermique du silicium est proche de 2×10-6/°C alors que les métaux usuels constituant le corps du capteur possèdent un coefficient supérieur à 8,5×10-6/°C, voire même le double. Comme mentionné ci-dessus, une liaison rigide entre un élément sensible à substrat en silicium et un corps de capteur en métal produiraient des contraintes mutuelles en température. Or, la valeur de pression visée est si élevée qu'une grande rigidité des liaisons internes du capteur semble essentielle pour lui conférer une tenue suffisante en pression.
  • Un moyen employé afin de remédier à ces inconvénients consiste à éloigner le capteur de pression de la source de pression à très fortes variations de température, en les raccordant par une tuyauterie. Cette tuyauterie sert de tampon thermique. Pourtant, cette solution est très coûteuse et augmente la taille de l'appareil dans son ensemble.
  • Encore un autre problème qui se produit dans la fabrication d'un capteur comportant un élément sensible à substrat en silicium consiste dans le fait que le silicium ne se soude pas aux métaux, rendant plus difficile la réalisation du capteur.
  • Une architecture classique d'intégration d'un élément sensible à substrat en silicium dans le corps d'un capteur de pression est montrée dans le schéma de la figure 1.
  • Dans l'architecture d'intégration de la figure 1, le capteur de pression comporte un support métallique 1 parcouru par un trou central 2 raccordé à la source de pression à mesurer. L'élément sensible 4 du capteur consiste en un substrat 5 en silicium sur une surface duquel sont disposées des jauges extensométriques 6. Le substrat en silicium a un rebord périphérique 5a d'épaisseur accrue et un renfort central 5b. Les jauges 6 sont implantées sur le substrat 5 au niveau des régions 5c de celui-ci à épaisseur réduite où sont concentrées les contraintes à détecter. Les jauges sont habituellement en nombre de quatre montées en pont Wheatstone. L'élément sensible 4 peut aussi comporter une pièce de renfort 5' également en silicium.
  • L'élément sensible 4 est monté sur le support métallique 1 par voie d'une base 7 interposée, en verre ou céramique. Des trous centraux sont percés dans la base et, éventuellement, dans la pièce de renfort 5' de l'élément sensible 4 afin d'amener la pression à mesurer jusqu'aux régions 5c du substrat 5 ou se trouvent les jauges 6.
  • Dans cette architecture connue, la liaison entre le substrat en silicium 5 (ou le renfort 5' en silicium) et la base 7 est réalisée par soudure anodique, ou par brasure de verre fondu ou par brasure eutectique. La liaison entre la base 7 et le support métallique 1 est réalisée par collage ou brasure. En général ces collages ou brasures ne sont pas adaptés pour permettre la réalisation d'un capteur susceptible d'être utilisé à la fois à haute pression et dans une large gamme de température. En outre, des collages et brasures qui pourraient être adaptés introduiraient des contraintes de construction vers le substrat 5 et donc vers les jauges 6.
  • Le document FR-A-2 293 704 décrit un capteur de pression dans lequel la base en verre portant l'élément sensible est montée sur le support métallique du capteur non pas directement, mais par l'intermédiaire d'un élément de liaison. Toutefois, les inconvénients précités ne sont pas éliminés.
  • Dans d'autres documents US-A-4361047, US-A-4127840 et EP-A-0 167 144, la base sur laquelle est fixé l'élément sensible est reliée au corps métallique du capteur par un élément de liaison qui peut être déformable, mais ces montages sont clairement inappropriés à la mesure de très hautes pressions.
  • La présente invention vise à remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus et, en particulier, elle concerne un capteur de pression capable de mesurer de façon fiable des hautes pressions susceptibles d'atteindre au moins 1000 bars en acceptant des variations de température dans une plage couvrant au moins l'intervalle de 4°K à 473°K, et dans lequel un élément sensible à substrat en silicium est monté dans un corps de capteur de façon à ce que les contraintes d'intégration soient minimisées.
  • A cet effet, la présente invention prévoit un capteur de pression comprenant :
    • un corps de capteur ayant une embouchure destinée à recevoir une pression à mesurer ;
    • un élément sensible à la pression ayant un substrat en silicium sur lequel sont fixées des jauges extensométriques ;
    • une base sur laquelle est monté l'élément sensible ; et
    • un élément de liaison reliant la base au corps de capteur ;
    caractérisé en ce que :
    • l'élément de liaison est déformable élastiquement de manière à compenser des différences de dilatation d'origine thermique entre la base et le corps de capteur, et
    • l'élément sensible est relié à une pièce de reprise d'efforts capable de reprendre les efforts exercés sur la base et le substrat par la pression à mesurer, de sorte que lesdits efforts ne sont pas exercés sur l'élément de liaison élastiquement déformable.
  • Dans le capteur de pression selon l'invention, le montage de l'élément sensible au substrat en silicium est tel que des effets de dilatations thermiques différentielles des éléments du capteur, dus aux transitoires thermiques survenant dans l'environnement, sont amortis par l'élément de liaison déformable élastiquement, tandis que les efforts exercés par la pression à mesurer sont repris par la pièce de reprise d'efforts et n'affectent pas le comportement de l'élément de liaison. De ce fait, il n'est pas nécessaire d'attendre une stabilisation thermique pour que les jauges soient dans les meilleures conditions de mesure. Grâce à ce système d'intégration de l'élément sensible dans le corps du capteur on obtient non seulement un capteur capable de mesurer de très hautes pressions dans une large plage de température, mais également un capteur ayant une précision élevée en dérive thermique stabilisée et une meilleure tenue aux vibrations.
  • Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'élément élastique est un clinquant métallique à épaisseur faible de préférence épaulé contre une partie du corps de capteur.
  • Un élément élastique sous forme d'un clinquant métallique de faible épaisseur présente l'avantage que la contrainte qu'il exerce sur la base du fait des dilatations thermiques différentielles est faible et qu'il peut lui-même supporter les déformations d'origine thermique provenant de sa liaison à la base et au métal du corps du capteur.
  • Il est avantageux de réaliser l'élément sensible avec une pièce de renfort relativement épaisse en silicium disposée entre le substrat en silicium et la base, cette dernière étant par exemple elle-même réalisée en verre et soudé anodiquement à la pièce de renfort. Les contraintes dues au procédé par lequel la base est fixée à la pièce de renfort sont filtrées par ce renfort, du fait de son épaisseur, et ainsi elles n'affectent guère le substrat en silicium de l'élément sensible.
  • De préférence, la base sur laquelle est monté l'élément sensible est supportée par un élément métallique du corps de capteur au moyen d'un clinquant métallique soudé à l'une de ses extrémités à un élément métallique du corps de capteur et scellé à l'autre de ses extrémités au matériau de la base.
  • Par ailleurs, dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, la pièce de reprise d'efforts forme un couvercle scellé sur le corps de capteur et contre lequel l'élément sensible s'appuie par l'intermédiaire d'une entretoise, par exemple en verre. De préférence, l'élément sensible est lié à l'entretoise, par exemple par collage, afin d'assurer sa résistance aux vibrations. L'entretoise peut être liée mécaniquement au couvercle.
  • Le choix des matériaux pour les parties constituantes du capteur permet une optimisation de la compatibilité chimique de ces parties avec les fluides dont la pression est à mesurer. Aussi, le substrat en silicium peut être réalisé à faible coût en utilisant des procédés de fabrication et d'usinage habituellement utilisés dans la technologie des semiconducteurs
  • Sur les dessins annexés :
    • la Figure 1 est un schéma montrant le montage d'un élément sensible à substrat en silicium dans un capteur de pression de l'art antérieur;
    • la Figure 2 illustre de façon schématique l'architecture d'intégration d'un élément sensible à substrat en silicium dans un capteur de pression selon un premier mode de réalisation de l'invention; et
    • la Figure 3 illustre de façon schématique l'architecture d'intégration d'un élément sensible à substrat en silicium dans un capteur de pression selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
  • Tel que représenté par la Figure 2, le capteur de pression comporte un corps de révolution métallique 10 constitué d'une partie supérieure 10a et d'une partie inférieure 10b scellées l'une à l'autre pour définir une chambre 11. La partie inférieure est prolongée axialement à sa base par une partie tubulaire 12 constituant prise de pression ouverte à son extrémité pour former une embouchure 14. La prise de pression 12 est destinée à être raccordée à une source de pression à mesurer et communique avec la chambre 11.
  • Un élément sensible disposé dans la chambre 11 comporte un substrat 15 en silicium en forme de disque avec une partie centrale amincie 15a sur laquelle sont implantées des jauges extensométriques 16. Le substrat 15 est scellé sur une pièce de renfort 15' relativement épaisse, également en silicium. La pièce 15' est scellée sur une base 17 en verre, par exemple de type "Pyrex 7740" ou équivalent. Le scellement sur la base 17 est par exemple réalisé par soudure anodique, telle qu'une soudure type "Mallory". Le fait que la base en verre 17 soit soudée sur une pièce de renfort relativement épaisse, et non directement sur le substrat 15 permet de filtrer les contraintes qui pourraient venir de cette soudure. La pièce de renfort 15' présente un passage central 15'a et la base 17 est annulaire afin que la pression présente à l'embouchure 14 puisse être amenée directement à la partie centrale 15a de l'élément sensible.
  • L'ensemble constitué par le substrat 15 portant les jauges 16, la pièce de renfort 15' et la base 17 est relié au corps 10 par un élément déformable élastiquement ici constitué par un clinquant métallique 18, de faible épaisseur, par exemple environ 0,1 mm, réalisé par exemple en inox. Le clinquant 18 a une forme générale de révolution avec une première partie cylindrique 18a soudée à son extrémité sur la paroi interne de la partie inférieure 10b du corps 10, une deuxième partie cylindrique 18b soudée à son extrémité à la face inférieure de la base 17, et une partie intermédiaire renflée 18c raccordant les parties cylindriques 18a et 18b. La partie renflée 18c à profil sensiblement en U confère au clinquant 18 une capacité de déformation élastique en direction axiale. La paroi cylindrique interne de la partie inférieure 10b du corps de capteur présente une portion de plus grand diamètre qui définit un épaulement 19 sur le fond duquel se loge la partie renflée 18c du clinquant 18, de sorte que celle-ci est maintenue latéralement.
  • A sa partie d'extrémité supérieure, la partie 10b du corps de capteur a une paroi interne de diamètre encore élargi qui entoure l'essentiel de l'ensemble formé par le substrat 15, la pièce 15' et la base 17 et qui se raccorde à l'épaulement 19 par une surface radiale 20. Le déplacement axial de l'ensemble 15, 15', 17 sous l'effet de la déformation élastique du clinquant 18 est limité, à une extrémité, par la surface 20 formant butée susceptible de coopérer avec la face inférieure de la base 17, et, à l'autre extrémité, par une pièce massive 21 formant couvercle scellé sur la partie 10b du corps et contre laquelle le substrat 15 peut s'appuyer par l'intermédiaire d'une entretoise annulaire 22. Cette dernière est par exemple en verre, comme la base 17, et est fixée au substrat 15, par exemple par collage.
  • Ainsi, lors du fonctionnement du capteur, l'effort exercé sur l'ensemble 15, 15', 17, 22 par la pression à mesurer est repris par la pièce massive 21 et n'est pas appliqué au clinquant 18 qui peut alors exercer de façon optimale sa fonction de compenser des variations dimensionnelles différentielles d'origine thermique et d'amortir d'éventuelles vibrations.
  • La Figure 3 illustre un deuxième mode de réalisation d'un capteur selon l'invention. Celui-ci se distingue du capteur de la Figure 2 essentiellement par la réalisation de l'élément élastiquement déformable et la construction de la partie inférieure 10b du corps de capteur. Les autres éléments constitutifs du capteur n'étant pas modifiés, ils ne seront pas à nouveau décrits.
  • Dans ce deuxième mode de réalisation , l'élément élastiquement déformable est encore un clinquant métallique 28 de faible épaisseur. Le clinquant 28 présente ici essentiellement une forme d'anneau plat disposé radialement qui est lié à la partie 10b du corps de capteur au voisinage de sa périphérie externe et qui est scellé sur la base 17 à sa périphérie interne. La liaison avec la base 17 est ici réalisée sur la surface externe de celle-ci, non sur sa surface inférieure. Au voisinage de sa périphérie interne, le clinquant 28 présente un renflement annulaire 28c à section sensiblement en forme de U ouvert en direction de l'extrémité inférieure du capteur.
  • La partie inférieure du capteur comprend ici une section inférieure 10b' et une section supérieure 10b" fixée l'une à l'autre avec interposition d'une bague 30. A sa partie supérieure, la section 10b' a un diamètre interne élargi définissant un logement qui entoure l'essentiel de la base 17 et se raccordant avec le reste de la paroi interne de la section 10b' par une surface radiale formant butée 29. La butée 29 coopère avec la face inférieure de la base 17 pour limiter le déplacement axial de l'ensemble 15, 15', 17 en direction opposée à celle d'établissement de la pression. Dans la direction opposée, l'effort exercé par la pression à mesurer est repris par la pièce 21 coopérant avec l'entretoise 22 et soudée sur la partie 10b, comme dans le mode de réalisation de la Figure 2.
  • La bague 30 présente une collerette à sa périphérie interne qui définit une surface d'appui 30a ou épaulement contre lequel le clinquant 28 vient en contact par le sommet de sa partie renflée 28c. A sa périphérie extérieure, le clinquant 28 est maintenu entre la bague 30 et la section 10b'.

Claims (9)

  1. Capteur de pression comprenant:
    - un corps de capteur (10) ayant une embouchure (14) destinée à recevoir une pression à mesurer ;
    - un élément sensible à la pression ayant un substrat en silicium (15) sur lequel sont fixées des jauges extensométriques (16);
    - une base (17) sur laquelle est monté l'élément sensible, et
    - un élément de liaison (18 ; 28) reliant la base au corps de capteur,
       caractérisé en ce, afin de pouvoir mesurer de façon fiable des hautes pressions susceptibles d'atteindre au moins 1000 bars en supportant des variations de température dans une plage couvrant au moins l'intervalle de 4°K à 473°K,
    - l'élément de liaison (18;28) est déformable élastiquement de manière à compenser des différences de dilatation d'origine thermique entre la base et le corps de capteur, et
    - l'élément sensible est relié à une pièce de reprise d'efforts (21) capable de reprendre les efforts exercés sur la base (17) et le substrat (15) par la pression à mesurer, de sorte que lesdits efforts ne sont pas exercés sur l'élément de liaison élastiquement déformable.
  2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément élastique comprend un clinquant métallique (18 ; 28).
  3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le clinquant métallique (18; 28) a une première extrémité reliée à la base (17) et une deuxième extrémité reliée à un élément métallique (10b) du corps du capteur.
  4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le clinquant est épaulé contre une paroi interne du corps du capteur (10) entre ses extrémités.
  5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément sensible comprend en outre une pièce de renfort (15') en silicium, disposée entre le substrat en silicium (15) et la base (17), et en ce que la base est reliée à la pièce de renfort (15').
  6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la base (17) est en verre soudé anodiquement sur la pièce de renfort (15').
  7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la pièce de reprise d'effort forme couvercle (21) scellé sur le corps de capteur (10) et contre lequel l'élément sensible s'appuie par l'intermédiaire d'une entretoise (22).
  8. Capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'entretoise (22) est en verre.
  9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que l'entretoise (22) est fixée au substrat (15) par collage.
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